Источник: Никеров В.А. Физика: Учебник и сборник задач, 2-е изд., перераб. и доп. ИТК Дашков и Ко. 2022. 580 стр. Одобрен Минобрнауки РФ.
Физика проще, чем многим кажется, особенно если понять ее аксиоматику. У нас сейчас в физике принято обсуждать довольно абстрактные вопросы типа темной энергии и материи. А аксиоматика общей физики, которая определяет основы конкретных законов земной природы, почти не обсуждается, не развивается и находится, на мой взгляд, в неудовлетворительном состоянии. Ниже я постараюсь решить эту проблему и рассказать об основных аксиомах физики.
Владимир Иванович Даль в своем знаменитом толковом словаре определил, что аксиома – очевидность, ясная по себе и бесспорная истина, не требующая доказательств, ясноистина. И я, изучая физику и математику в школе и на Физтехе, считал, что аксиома – это ясная, красивая и важная истина, бесспорная без доказательств. Но с самого начала я догадывался, что аксиоматика разных разделов общей физики не одинакова по ценности.
К счастью, аксиоматика механики, на которой базируются другие разделы физики, оказалась в основном на высоте, что поставило физику по уровню на лидирующую позицию среди наук. Это не в последнюю очередь связано с академиком Львом Ландау, который в своих учебниках сумел гениально сформулировать механику и которого я считаю величайшим физиком и педагогом.
Но уже в школе я настороженно отнесся к набору формул электродинамики, которые находятся в явной, но не слишком понятной большинству людей связи. В физтеховском курсе физики я изучил уравнения Максвелла, которые вроде бы дают связь формул электродинамики. Но четыре громоздких и сложных полуэмпирических уравнения явно не похожи на научную аксиоматику - очевидную и бесспорную истину, не требующую доказательств, а больше похожи в лучшем случае на набор эмпирических правил для расчета катушек с током и других инженерных и электротехнических задач.
В процессе изучения курса квантовой физики МФТИ я столкнулся с тем, что ключевые для квантовой физики соотношения неопределенностей выводятся из так называемых мысленных экспериментов. И сразу возникло впечатление, что эти эксперименты больше затрудняют понимание сути квантовой физики, чем помогают ее понять. Мысленные эксперименты не слишком похожи на обычную аргументацию идей физики, да и само это словосочетание представляется мне странным.
На протяжении десятилетий, успешно решая конкретные физические задачи, я не забывал думать и о глобальных проблемах физической аксиоматики и вариантах ее улучшения, и к началу нулевых годов созрел для конкретных идей. Толчок дала случайная беседа в большом кабинете здания легендарного Отдела релятивистских пучков Курчатовского института. В то время мой однокашник по Физтеху по материалам ликвидации чернобыльской аварии опубликовал ряд экспериментальных статей, результаты которых интерпретировал как открытие магнитного заряда, аналогичного электрическому заряду, и попросил меня как теоретика помочь разобраться с проблемой.
Идею магнитного заряда (монополя Дирака) рассматривали многие серьезные физики, исходя из частичной симметрии уравнений Максвелла относительно электрического и магнитного полей. Я воспользовался поводом и наличием в тот момент времени, и сосредоточился на решении проблемы. Правда, результат получился неожиданный. Я обнаружил, что не только магнитного заряда нет и не может быть, но и самостоятельного магнитного поля фактически не существует, есть лишь релятивистская поправка к электрическому полю, которую и называют магнитным полем. Замечу здесь, что псевдосимметрия уравнений Максвелла относительно электрического и магнитного полей послужила причиной целого ряда ошибок физиков.
Идеи и формулы улучшенной аксиоматики электродинамики, а также удивительные следствия этих идей я сразу же начал излагать на научных семинарах и ученых советах ведущих российских научных и учебных центров, получив в целом одобрительные отклики. Это позволило опубликовать ряд научных статей по теме и далее использовать идеи в моих новых учебниках по физике.
Достигнутый успех воодушевил меня на решение задачи по улучшению аксиоматики квантовой физики. При этом я использовал известные идеи о немонохроматичности характерных для квантовой физики цугов волны, ограниченных во времени и пространстве. Эти простые и глобальные идеи представляются мне более общими и понятными в качестве аксиоматики, чем предложенные сотню лет назад более частные и туманные мысленные эксперименты. Полученные результаты, а также их важные и интересные следствия, я уже отработанной методикой успешно обкатал в своих докладах и статьях с дальнейшим использованием в моих новых учебниках по физике.
После этого, уже в недавние годы и месяцы, я все-таки вернулся к наиболее благополучной на конец 20 века аксиоматике механики. Эта часть аксиоматики физики не потребовала радикального улучшения. Однако и ее в результате проведенного анализа удалось дополнить заметными идеями в духе времени и двух других основных разделов физики.
Таким образом, в результате двадцатилетней работы удалось в целом улучшить аксиоматику общей физики, сделав ее более ясной, глобальной и современной и дополнив интересными и удивительными следствиями. При этом наиболее радикальному улучшению подверглась аксиоматика электродинамики. Важные идеи улучшения реализованы в квантовой физике. Заметные дополнения аксиоматики сделаны в механике и молекулярной физике.
Существенно, что подобные идеи улучшения аксиоматики витали в воздухе уже во второй половине просвещенного 20 века. Многие известные ученые высказывали их с разной степенью проработки, однако по ряду причин довести эти идеи до формул и следствий в реальных учебниках удалось, в основном лишь в механике. Подробнее эту ситуацию опишу ниже. Но прежде, чем перейти к детальному описанию научной аксиоматики физики по разделам, хочу обсудить еще одну важную проблему.
Сегодня физика – это больше, чем наука. Это сверхнаука, в наибольшей степени определяющая современную жизнь цивилизации, а также ее будущее. Поэтому не будет преувеличением считать, что именно научная аксиоматика физики одновременно является и научной аксиоматикой мироздания в целом. При этом, даже будучи физиком-теоретиком, я убежден, что основы мироздания определяются не столько теоретической, сколько общей физикой. Ведь теоретическая физика более абстрактна, формализована и удалена от обычной жизни, чем общая физика. Например, общая физика оперирует больше реальными силами, а теоретическая физика - более абстрактными потенциалами и полями.
Проблемы аксиоматики физики не просты и недостаточно освещены в публикациях по физике. Некоторые вообще утверждают, что физика – не геометрия, и в ней вообще не может быть наглядной аксиоматики. Я попытаюсь опровергнуть эту мысль. При этом постараюсь формулировать основные аксиомы физики, сосредоточившись на их наглядной физической сути и для краткости избегая громоздких идей, связанных с философией и другими смежными дисциплинами.
Отвечу на вопрос, зачем нужны аксиомы и почему важно их правильно сформулировать. Законы физики опираются на данные экспериментов, а простые и красивые аксиомы позволяют адекватно понимать и применять эти законы. И вообще лучше понимать жизнь! Убежден, что аксиоматика физики в ближайшие годы будет продолжать улучшаться, упрощаться и становиться еще более красивой.
Убежден также, что понимание настоящей научной аксиоматики физики и мироздания интересно и полезно в объеме данной работы для понимания жизни широкому людей – от школьников до академиков. Сформулирую ряд простых и важных вопросов, понимание которых необходимо здравому и культурному человеку:
- сколько должно быть законов Ньютона,
- зависят ли масса и заряд от скорости,
- надо ли исправить традиционное определение релятивистской механики,
- существует ли магнитное поле,
- почему не может существовать магнитный заряд,
- можно ли использовать преобразования Лоренца для перехода в неинерциальные системы, движущиеся с колоссальными ускорениями, на 20-30 порядков превышающими ускорение свободного падения,
- может ли быть создана безмагнитная электродинамика,
- почему соотношения неопределенности в квантовой физике являются равенствами, а не неравенствами,
- здравый смысл и лаконизм или традиции – что важней для развития физики.
Сразу отмечу, что ответы на эти вопросы сегодня уже известны, но их не знают не только школьники, но и основная часть академиков. Ниже я изложу в доступной форме детальные ответы на эти и другие вопросы. Но уже здесь сформулирую краткую суть научной аксиоматика физики и мироздания.
Краткая научная аксиоматика физики и мироздания:
1). Аксиоматика механики базируется на законах Ньютона с двумя фундаментальными формулами для ускорения тела и сил взаимодействия тел, из которых могут быть выведены все остальные законы механики, в частности законы сохранения импульса и энергии, законы вращательного движения, а также условия равновесия. Особую роль играет релятивистская механика, вытекающая из факта постоянства скорости света во всех инерциальных системах отсчета, откуда следует, что время и расстояние разные в разных системах отсчета, что позволило обобщить понятия импульса и энергии, а также Второй закон Ньютона. Основой молекулярной физики является молекулярно-кинетическая теория, полагающая, что вещество состоит из молекул, которые находятся в постоянном беспорядочном тепловом движении и обмениваются при столкновениях импульсами и энергией.
2). Важнейшую роль в электродинамике играет закон Кулона. Принципиально, что магнитная сила и магнитное поле не самостоятельны, а являются лишь релятивистской поправкой к электростатической силе Кулона и электростатическому полю. Важно, что релятивистская малость магнетизма по отношению к электростатике, определяемая 20-30 порядками квадрата отношения характерных скоростей, компенсируется 20-30 порядками малости квадрата отношения характерных зарядов. При этом электродинамические и релятивистские законы четко работают при огромных ускорениях, на 20-30 порядков превышающих ускорение свободного падения. Следствием электродинамики является волновое уравнение, являющееся основой волновой оптики.
3). Основой квантовой физики является корпускулярно-волновой дуализм, в соответствии с которым каждая материальная частица обладает волновыми свойствами. Такие свойства реально проявляются у микрочастиц, например электронов и ядер атомов, и эти проявления определяют строение материи во Вселенной. Главная идея квантовой физики - соотношения неопределенностей. связывающие импульс с координатой и энергию со временем. Эти соотношения вытекают из волновых свойств микрочастиц, а волна – это принципиально протяженный в пространстве и времени объект (в отличие от частицы, которую часто принято рассматривать как точку в определенный момент времени). Поэтому нельзя определить точку, где волна расположена, и момент времени, когда она прошла данную точку. Реальные волны ограничены во времени и пространстве, поэтому немонохроматичны, откуда следует неопределённость импульса и энергии.
